CN110060638B - Amoled电压编程像素电路及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

AMOLED电压编程像素电路及其驱动方法，该像素电路包括驱动模块、数据提取模块、初始化模块和发光模块。驱动模块提取晶体管的阈值电压和数据电压，数据提取模块存储阈值电压和数据电压，初始化模块初始化晶体管栅极电压。驱动模块在数据提取模块作用下控制晶体管状态和电压补偿，使发光模块发光。通过在像素电路的初始化阶段S1、数据提取阶段S2和发光阶段S3分别设置电源信号端、数据信号端、第一扫描信号端、第二扫描信号端和清除信号端为不同的输入进而驱动发光元件。本发明电路结构简单、控制方便，能够补偿晶体管的阈值电压飘移和寄生电阻造成的电源压降，提高显示质量，且能够延长发光元件的寿命和提高像素电路的编程速度。

Description

AMOLED电压编程像素电路及其驱动方法
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其是涉及一种能够补偿器件阈值电压变化以及电源电压下降的AMOLED电压编程像素电路及其驱动方法 。
背景技术
有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode, OLED）作为一种电流型发光器件已越来越多的应用于高性能显示器中，由于它自发光的特性，与薄膜晶体管显示器相比，OLED具有高对比度、超轻薄、可弯曲、响应速度快、色彩鲜艳、对比度高等诸多优点。OLED的驱动电路按驱动方式可分为无源驱动（PMOLED）和有源驱动(AMOLED)两种。无源驱动随着面板的增大，显示密度的提高，必须及时施加较大电流到各个驱动像素电路，大大损耗了发光材料的使用寿命，且无源驱动瞬间的高电压使得导致电路功耗大、功率低。有源驱动(AMOLED)能克服上述无源驱动显示的缺点，实现高分辨率、大尺寸和低功耗显示。
目前AMOLED显示中的核心器件是薄膜晶体管（TFT），TFT中的低温多晶硅薄膜晶体管以其优良的迁移率和电学特性受到了广泛的关注。然而，低温多晶硅薄膜晶体管在大面积制造过程中容易出现阈值电压漂移使得显示面板亮度不均匀，且随着面板尺寸增大，寄生电阻引起的电源电压差异会加重面板显示的不均匀性，另外，像素电路在非发光阶段存在较大漏电流，OLED闪烁导致显示面板对比度下降和电路功耗的增加。现有的基于阈值电压和电压降的像素电路，具有较低的开口率，多数电路含有两个以上电容或者含有额外的基准电压线，大大限制大尺寸、高分辨率的像素电路发展。因此，有必要提出更少晶体管和电容的像素电路、尽可能减少基准电压线的驱动工作时序。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种AMOLED电压编程像素电路及其驱动方法 ，不仅能够补偿驱动晶体管的阈值电压和寄生电阻造成的电压下降，而且能够避免了OLED在非发光阶段的闪烁，有效的提高像素电路的编程速度，适用于大尺寸、高分辨率显示面板的需求。
本发明的技术方案是：AMOLED电压编程像素电路，包括驱动模块、数据提取模块、初始化模块和发光模块。
所述驱动模块包括第一晶体管和第二晶体管。所述第一晶体管由第一扫描信号控制，用于传输电源信号至第一节点，所述第二晶体管由第二节点控制，用于将第一节点的电压传输至发光模块。
具体地，第一晶体管的栅极连接第一扫描信号端、源极连接电源信号端、漏极连接至第一节点；第二晶体管的栅极连接数据提取模块、源极连接第一节点、漏极连接至发光模块。
所述数据提取模块包括存储电容和第三晶体管。所述存储电容用于存储数据电压和阈值电压数据。所述第三晶体管由数据信号端控制，用于将数据信号输入到电路中。
具体地，所述存储电容的第一极板连接至第一节点，第二极板连接至第二节点；第三晶体管栅极连接数据信号端，源极连接至第一节点，漏极连接接地端。
所述初始化模块包括第四晶体管，第四晶体管由清除信号端控制。所述初始化模块用于清空上一周期中存储电容的电荷，初始化第二节点的电压。具体地，第四晶体管栅极连接清除信号端，源极连接至第二节点，漏极连接接地端。
所述发光模块包括第五晶体管和发光元件。所述第五晶体管由第二扫描信号端控制，用于控制发光元件的发光。第五晶体管栅极连接第二扫描信号端，源极连接驱动模块，漏极连接发光元件的阳极，发光元件的阴极连接接地端。
所述第一～第五晶体管均为P型低温多晶硅薄膜晶体管或N型低温多晶硅薄膜晶体管。
所述发光元件为有机发光二极管、无机发光二极管或量子点发光二极管。
本发明进一步的技术方案是：将发光模块中的第五晶体管移出到驱动模块中，所述第五晶体管的源极与第二节点连接，第五晶体管的漏极与第二晶体管的栅极连接。发光模块中的发光元件的阳极直接与第二晶体管的漏极连接。
本发明再进一步的技术方案是：将发光模块中的第五晶体管移出到驱动模块中，所述第五晶体管的源极与第一节点连接，第五晶体管的漏极与存储电容的第一极板连接。发光模块中的发光元件的阳极直接与第二晶体管的漏极连接。
应用于上述AMOLED电压编程像素电路的驱动方法，包括，
A、初始化阶段S1：所述第一扫描信号端、清除信号端输入第一电平，数据信号端、第二扫描信号端输入第二电平；
B、数据提取阶段S2：所述第一扫描信号端、第二扫描信号端输入第二电平，清除信号端、数据信号端输入第一电平；
C、发光阶段S3：所述第一扫描信号端、第二扫描信号端输入第一电平，清除信号端、数据信号端输入第二电平。
其中，所述第一电平为低电平，第二电平为高电平；或第一电平为高电平，第二电平为低电平。
本发明再更进一步的技术方案是：将发光模块中的第五晶体管移出到驱动模块中，所述第五晶体管的源极与第二节点连接，第五晶体管的漏极与第二晶体管的栅极连接。发光模块中的发光元件的阳极直接与第二晶体管的漏极连接，第四晶体管的栅极与第二扫描信号端相连接。
所述第一～第三晶体管、第五晶体管均为P型低温多晶硅薄膜晶体管，第四晶体管为N型低温多晶硅薄膜晶体管；或所述第一～第三晶体管、第五晶体管均为P型低温多晶硅薄膜晶体管，第四晶体管为N型低温多晶硅薄膜晶体管。
应用于该AMOLED电压编程像素电路的驱动方法，包括，
（1）初始化阶段S1：所述第一扫描信号端输入第一电平，数据信号端、第二扫描信号端输入第二电平；
（2）数据提取阶段S2：所述第一扫描信号端、第二扫描信号端输入第二电平，数据信号端输入第一电平；
（3）发光阶段S3：所述第一扫描信号端、第二扫描信号端输入第一电平，数据信号端VDATA输入第二电平。
其中，所述第一电平为低电平，第二电平为高电平；或第一电平为高电平，第二电平为低电平。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
1、本发明的像素电路结构简单、驱动时序周期简单，具有更高的开口率和更简单的驱动方式，不仅对驱动晶体管的阈值电压进行补偿，还能够对寄生电阻造成的电压下降进行补偿，使得显示亮度更均匀。
2、本发明的像素电路在非工作状态没有电流流过发光元件，避免了发光元件在非工作状态发光闪烁，延长了发光元件的寿命，减少了电路功耗、避免大面积面板的对比度下降，提高了显示面板的对比度。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
图1为实施例一像素电路的结构示意图；
图2为图1像素电路的工作时序示意图；
图3为实施例一的阈值电压补偿仿真图；
图4为实施例一与现有技术在不同数据电压下的IOLED仿真图；
图5为实施例一的寄生电阻电压降补偿仿真图；
图6为实施例二像素电路的结构示意图；
图7为实施例三像素电路的结构示意图；
图8为实施例四像素电路的结构示意图；
图9为现有技术像素电路的结构示意图。
具体实施方式
实施例一，如图1-2所示，AMOLED电压编程像素电路，包括驱动模块101、数据提取模块102、初始化模块103和发光模块104。
所述驱动模块101包括第一晶体管T1和第二晶体管T2。所述第一晶体管T1由第一扫描信号SCAN1控制，用于传输电源信号VDD至第一节点A，所述第二晶体管T2由第二节点B控制，用于将第一节点A的电压传输至发光模块104。
具体地，所述第一晶体管T1、第二晶体管T2均为P型低温多晶硅薄膜晶体管，第一晶体管T1的栅极连接第一扫描信号端SCAN1、源极连接电源信号端VDD、漏极连接至第一节点A；第二晶体管T2的栅极连接数据提取模块102、源极连接第一节点A、漏极连接至发光模块104。
所述数据提取模块102包括存储电容C1和第三晶体管T3。所述存储电容C1用于存储数据电压和阈值电压数据。所述第三晶体管T3由数据信号端VDATA控制，用于将数据信号VDATA输入到电路中。
具体地，所述存储电容C1的第一极板连接至第一节点A，第二极板连接至第二节点B；第三晶体管T3为P型低温多晶硅薄膜晶体管，其栅极连接数据信号端VDATA，源极连接至第一节点A，漏极连接接地端。
所述初始化模块103用于清空上一周期中存储电容C1的电荷，初始化第二节点B的电压。其包括第四晶体管T4，第四晶体管T4由清除信号端EM控制，用于初始化第二节点B的电压。具体地，第四晶体管T4为P型低温多晶硅薄膜晶体管，其栅极连接清除信号端EM，源极连接至第二节点B，漏极连接接地端。
所述发光模块104包括第五晶体管T5和有机发光二极管OLED。所述第五晶体管T5由第二扫描信号端SCAN2控制，用于控制有机发光二极管OLED的发光。第五晶体管T5为P型低温多晶硅薄膜晶体管，其栅极连接第二扫描信号端SCAN2，源极连接驱动模块101，漏极连接发光元件的阳极，发光元件的阴极连接接地端。
如图2所示，应用于实施例一所述AMOLED电压编程像素电路的驱动方法，包括如下阶段：
A、初始化阶段S1：所述第一扫描信号端SCAN1、清除信号端EM输入低电平，数据信号端VDATA、第二扫描信号端SCAN2输入高电平，则第一晶体管T1、第四晶体管T4导通，第二晶体管T2、第三晶体管T3、第五晶体管T5截止。电源电压VDD被传输至第一节点A，第二节点B的电位等于接地端的电位0V，存储电容C1的第一极板电位为VDD，第二节点B即第二极板的电位等于接地端的电位0V，此时电源信号VDD对存储电容C1充电，使存储电容C1两极板存在电压差，存储电容C1的两极板之间的电压分别为VDD和0V。
由于该阶段第二扫描信号端SCAN2输入高电平，第五晶体管T5截止，因而没有电流流过有机发光二极管OLED，有机发光二极管OLED处于不发光状态。
B、数据提取阶段S2：所述第一扫描信号端SCAN1、第二扫描信号端SCAN2输入高电平，清除信号端EM输入低电平，数据信号端VDATA输入低电平，则第三晶体管T3、第四晶体管T4导通，第一晶体管T1、第二晶体管T2、第五晶体管T5截止。由于上个阶段存储电容C1中存有电荷，第一节点A的电压为VDD，此时第三晶体管T3的栅源电压差Vgs=VDATA-VDD，该值小于第三晶体管T3的阈值电压VTH3，存储电容C1储存的电荷通过第三晶体管T3放电，随着存储电容C1放电，第一节点A即第三晶体管T3的源极电位逐渐变小，直到第三晶体管T3的栅源电压差Vgs等于第三晶体管T3的阈值电压VTH3时，第三晶体管T3截止，截止时第一节点A的电位为VDATA+|VTH3|，即存储电容C1存储的电压值为：VDATA+|VTH3|。
由于该阶段第二扫描信号端SCAN2输入高电平，第五晶体管T5截止，因而没有电流流过有机发光二极管OLED，有机发光二极管OLED处于不发光状态。
C、发光阶段S3：所述第一扫描信号端SCAN1、第二扫描信号端SCAN2输入低电平，清除信号端EM输入高电平，数据信号端VDATA输入高电平，则第一晶体管T1、第二晶体管T2、第五晶体管T5导通，第三晶体管T3、第四晶体管T4截止。此时第一节点A的电位为VDD，通过存储电容C1的耦合效应，第二节点B的电位为：
VB=VDD-(VDATA+|VTH3|) （1）
此时第二晶体管T2将工作在饱和区驱动有机发光二极管OLED发光，由有机发光二极管OLED的驱动电流IOLED与其驱动晶体管的源栅电压和阈值电压差值的平方成正比关系得知，本实施例中有机发光二极管OLED的驱动电流IOLED与第二晶体管T2的源栅电压Vsg和阈值电压VTH2之间的关系为：
IOLED=K(Vsg-|VTH2|)2 （2）
其中，K为增益因子。
将第二晶体管T2的源栅电压Vsg以及公式（1）代入公式（2）得：
IOLED=K(VA-VB-|VTH2|)2
=K(VDD-（VDD-(VDATA+|VTH3|)）-|VTH2|)2
=K(VDATA+|VTH3|-|VTH2|)2 （3）
据（K.Sano,et al.“Novel Vth Compensation LTPS Pixel Circuit forAMOLED,”SID Symposium Digest.,2017,pp.1339-1342）研究发现，虽然低温多晶硅薄膜晶体管阈值电压均匀性不是很理想，但在相同晶粒、有源区物理位置靠的很近的两颗晶体管晶粒之间，其电学特性差异性很小，因而本实施例中第二晶体管T2和第三晶体管T3相距较近时，|VTH3|=|VTH2|，故第二晶体管T2工作在饱和区时其驱动发光元件的驱动电流IOLED公式（3）简化为：
IOLED=K(VDATA)2 （4）
根据上式（4）得知，有机发光二极管OLED的驱动电流IOLED仅仅跟数据电压VDATA和增益因子K有关，增益因子K为固定常数，故有机发光二极管OLED的驱动电流IOLED仅与数据电压VDATA成比例，即有机发光二极管OLED的亮度与数据电压VDATA一一对应，实现了像素电路驱动发光元件的功能。
从式（4）中得知有机发光二极管OLED的驱动电流IOLED与电路中晶体管的阈值电压无关，因此即使晶体管的阈值电压发生漂移，也不会对有机发光二极管OLED的驱动电流IOLED造成影响，从而克服了晶体管阈值电压的漂移；且公式也与电源信号VDD无关，因此电源线寄生电阻导致的电压下降不会对有机发光二极管OLED的驱动电流IOLED造成影响，从而补偿了电源电压下降对面板亮度均匀性的影响；另外，由于在非发光阶段即初始化阶段S1和数据提取阶段S2时，第二扫描信号端SCAN2输入高电平，第五晶体管T5截止，因而没有电流流过有机发光二极管OLED，有机发光二极管OLED处于不发光状态，从而有效地避免了非发光阶段有机发光二极管OLED的发光情况。
如图3-5示出了本实施例像素电路的补偿仿真图，图3为阈值电压补偿仿真图，图4为本实施例像素电路与现有技术如图9所示的像素电路在不同数据电压下的IOLED仿真图，图5为寄生电阻电压降补偿仿真图。
由于第二晶体管T2和第三晶体管T3有源区物理距离非常接近，因此认为第二晶体管T2的阈值电压与第二晶体管T3的阈值电压基本相同，仿真图中叙述的阈值电压VTH变化指第二晶体管T2和第三晶体管T3同时变化。从图3中看出，在初始化阶段S1，第一节点A的电压VA和第二节点B的电压VB分别初始化为5V和0V；在数据提取阶段S2结束时，第一节点A的电压VA为VDATA+|VTH3|，第二节点B的电压VB为0V；在发光阶段S3，第一节点A的电压VA被调制到电源电压VDD得到的电压为4.98V，第二节点B的电压VB被耦合为VDD-(VDATA+|VTH3|)，当阈值电压VTH下降0.5V时，第二节点B的电压VB增加了2.41-1.92=0.49V；当阈值电压VTH增加0.5V时，第二节点B的电压VB下降了1.92-1.42=0.50V。由此得知该电路克服了晶体管阈值电压VTH漂移对有机发光二极管OLED的影响。因而本实施例的像素电路结构和驱动方法能很好的补偿阈值电压的变化。
从图4中可看出，传统的两个晶体管一个电容的像素电路2TIC在阈值电压VTH1变化0.5V时，发光元件的驱动电流IOLED的仿真曲线比较分散，即相同数据电压VDATA和不同阈值电压VTH1的条件下，所得到的驱动电流IOLED均不相同，而本实施例的像素电路结构5T1C当阈值电压VTH变化0.5V时，得到的有机发光二极管OLED的驱动电流IOLED的仿真曲线几乎是重合的，即相同数据电压VDATA和不同阈值电压VTH的条件下，所得到的驱动电流IOLED几乎是相同的，由此同样得知本实施例的像素电路能够有效的补偿阈值电压变化。
电源线上寄生电阻导致的电源电压下降，能够通过调节电源信号的大小进行模拟。从图5中可看出，在发射阶段S3，当电源电压VDD下降0.5V即从4.98V下降到4.48V时，第二节点B的电压由1.92V下降到1.42V即下降0.5V，即第二晶体管T2的源栅电压差Vsg=VA-VB未发生改变，也就是说驱动模块101第二晶体管T2的栅极电压跟随其源极电压发生变化，即电源电压VDD的下降没有对有机发光二极管OLED的驱动电流IOLED造成影响，由此得知本实施例的像素电路结构和驱动方法能够很好的补偿电源线寄生电阻导致的电源信号下降，避免因电源电压下降引起的面板不均匀问题。
实施例二，如图6所示的AMOLED电压编程像素电路结构，与实施例一相比，不同的是，将发光模块104中的第五晶体管T5移出到驱动模块101中，其中，第五晶体管T5的源极与第二节点B连接，第五晶体管T5的漏极与第二晶体管T2的栅极连接。发光模块104中的无机发光二极管OLED的阳极直接与第二晶体管T2的漏极连接。
本实施例中各个信号的工作时序与实施例一相同，实现与实施例一相同的电路补偿效果。
实施例三，如图7所示的AMOLED电压编程像素电路结构，与实施例二相比，不同的是，第五晶体管T5的源极与第一节点A连接，第五晶体管T5的漏极与存储电容C1的第一极板连接。
本实施例中各个信号的工作时序与实施例二相同，实现与实施例二相同的电路补偿效果。
实施例四，如图8所示的AMOLED电压编程像素电路结构，与实施例二相比，不同的是，将初始化模块103中第四晶体管T4由P型晶体管变为N型晶体管，第四晶体管T4的栅极与第二扫描信号端SCAN2相连接，无需与实施例二一样连接到清除信号端EM，故本实施例的AMOLED电压编程像素电路结构能够减少一根信号线，增大开口率，并减少工作时序的复杂度。
本实施例的像素电路驱动方法与实施例二的区别在于：去掉了实施例二各个阶段中对于清除信号端EM的控制，本实施例同样能够产生与实施例二相同的控制和补偿效果。

Claims (5)

1.AMOLED电压编程像素电路的驱动方法，其特征是：所述AMOLED电压编程像素电路包括驱动模块、数据提取模块、初始化模块和发光模块；
所述驱动模块包括第一晶体管和第二晶体管；所述第一晶体管由第一扫描信号控制，用于传输电源信号至第一节点，所述第二晶体管由第二节点控制，用于将第一节点的电压传输至发光模块；
具体地，第一晶体管的栅极连接第一扫描信号端、源极连接电源信号端、漏极连接至第一节点；第二晶体管的栅极连接数据提取模块、源极连接第一节点、漏极连接至发光模块；
所述数据提取模块包括存储电容和第三晶体管；所述存储电容用于存储数据电压和阈值电压数据，所述第三晶体管由数据信号端控制，用于将数据信号输入到电路中；
具体地，所述存储电容的第一极板连接至第一节点，第二极板连接至第二节点；第三晶体管栅极连接数据信号端，源极连接至第一节点，漏极连接接地端；
所述初始化模块包括第四晶体管，第四晶体管由清除信号端控制；所述初始化模块用于清空上一周期中存储电容的电荷，初始化第二节点的电压，具体地，第四晶体管栅极连接清除信号端，源极连接至第二节点，漏极连接接地端；
所述发光模块包括第五晶体管和发光元件；所述第五晶体管由第二扫描信号端控制，用于控制发光元件的发光，第五晶体管栅极连接第二扫描信号端，源极连接驱动模块，漏极连接发光元件的阳极，发光元件的阴极连接接地端；
所述AMOLED电压编程像素电路的驱动包括如下步骤：
A、初始化阶段S1：所述第一扫描信号端、清除信号端输入低电平，数据信号端、第二扫描信号端输入高电平；
B、数据提取阶段S2：所述第一扫描信号端、第二扫描信号端输入高电平，清除信号端、数据信号端输入低电平；
C、发光阶段S3：所述第一扫描信号端、第二扫描信号端输入低电平，清除信号端、数据信号端输入高电平。
2.如权利要求1所述的AMOLED电压编程像素电路的驱动方法，其特征是：所述第一～第五晶体管均为P型低温多晶硅薄膜晶体管；所述发光元件为有机发光二极管、无机发光二极管或量子点发光二极管。
3.如权利要求1或2所述的AMOLED电压编程像素电路的驱动方法，其特征是：将发光模块中的第五晶体管移出到驱动模块中，所述第五晶体管的源极与第二节点连接，第五晶体管的漏极与第二晶体管的栅极连接，发光模块中的发光元件的阳极直接与第二晶体管的漏极连接。
4.AMOLED电压编程像素电路的驱动方法，其特征是：所述AMOLED电压编程像素电路包括驱动模块、数据提取模块、初始化模块和发光模块；
所述驱动模块包括第一晶体管和第二晶体管；所述第一晶体管由第一扫描信号控制，用于传输电源信号至第一节点，所述第二晶体管由第二节点控制，用于将第一节点的电压传输至发光模块；
具体地，第一晶体管的栅极连接第一扫描信号端、源极连接电源信号端、漏极连接至第一节点；第二晶体管的栅极连接数据提取模块、源极连接第一节点、漏极连接至发光模块；
所述数据提取模块包括存储电容和第三晶体管；所述存储电容用于存储数据电压和阈值电压数据，所述第三晶体管由数据信号端控制，用于将数据信号输入到电路中；
具体地，所述存储电容的第一极板连接至第一节点，第二极板连接至第二节点；第三晶体管栅极连接数据信号端，源极连接至第一节点，漏极连接接地端；
所述初始化模块包括第四晶体管，第四晶体管由清除信号端控制；所述初始化模块用于清空上一周期中存储电容的电荷，初始化第二节点的电压，具体地，第四晶体管的栅极与第二扫描信号端相连接，源极连接至第二节点，漏极连接接地端；
所述发光模块包括第五晶体管和发光元件；所述第五晶体管由第二扫描信号端控制，用于控制发光元件的发光，第五晶体管栅极连接第二扫描信号端，源极与第二节点连接，漏极与第二晶体管的栅极连接，发光元件的阳极直接与第二晶体管的漏极连接，阴极连接接地端；
所述AMOLED电压编程像素电路的驱动包括如下步骤：
A、初始化阶段S1：所述第一扫描信号端输入低电平，数据信号端、第二扫描信号端输入高电平；
B、数据提取阶段S2：所述第一扫描信号端、第二扫描信号端输入高电平，数据信号端输入低电平；
C、发光阶段S3：所述第一扫描信号端、第二扫描信号端输入低电平，数据信号端输入高电平。
5.如权利要求4所述的AMOLED电压编程像素电路的驱动方法，其特征是：所述第一～第三晶体管、第五晶体管均为P型低温多晶硅薄膜晶体管，第四晶体管为N型低温多晶硅薄膜晶体管；所述发光元件为有机发光二极管、无机发光二极管或量子点发光二极管。
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